圖1 壓鑄件實(shí)物圖與取樣位置

原標(biāo)題：熱處理對(duì)壓鑄鋁合金ZL102力學(xué)及導(dǎo)熱性能的影響

摘要：采用微觀組織表征以及力學(xué)與導(dǎo)熱性能測(cè)試研究了熱處理對(duì)壓鑄鋁合金ZL102力學(xué)及導(dǎo)熱性能的影響。結(jié)果表明，壓鑄鋁合金ZL102室溫組織中的物相包括初生α（Al）、鋁硅共晶組織、初晶硅以及少量的金屬間化合物。固溶處理后，壓鑄鋁合金ZL102中的硅相發(fā)生了熔斷和球化；經(jīng)過時(shí)效處理，α（Al）基體上出現(xiàn)細(xì)密的點(diǎn)狀第二相析出，晶界的硅相球度進(jìn)一步提高。在三種熱處理狀態(tài)下，鋁合金ZL102固溶處理后的力學(xué)性能最高，但熱導(dǎo)率最低。綜合而言，時(shí)效處理兼顧了合金的力學(xué)與導(dǎo)熱性能，此時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度212 MPa，伸長(zhǎng)率3.9%，室溫?zé)釋?dǎo)率142.7 W/（m·K）。

隨著5G通訊時(shí)代的到來，電子通訊設(shè)備及產(chǎn)品的集成度正逐步提高，單位體積的發(fā)熱量也隨之增加，此時(shí)要求相關(guān)材料與結(jié)構(gòu)具有較好的導(dǎo)熱特性，以保證設(shè)備與產(chǎn)品正常工作并延長(zhǎng)使用壽命。以5G通訊濾波器為例，其功率大、集成度高，為了提高散熱能力，該濾波器殼體結(jié)構(gòu)上通常設(shè)計(jì)有較多不規(guī)則的薄壁散熱片。針對(duì)該類結(jié)構(gòu)殼體的大批量成形制造，采用壓鑄工藝具有顯著的效率與成本優(yōu)勢(shì)。金屬鋁的密度僅為鋼和鐵的1/3，具有巨大的輕量化潛力，近年來被廣泛應(yīng)用于汽車、通訊、航空航天等領(lǐng)域。純鋁的室溫?zé)釋?dǎo)率約為237 W/（m·K），導(dǎo)熱性能優(yōu)異。然而，純鋁的強(qiáng)度較低，在實(shí)際生產(chǎn)中常常加入一些合金元素以提高其力學(xué)性能，而合金元素的加入又會(huì)對(duì)其導(dǎo)熱特性產(chǎn)生一定的影響。通常情況下，合金元素以固溶原子、生成中間相或析出強(qiáng)化相等形式來強(qiáng)化鋁合金，但無論是以固溶原子還是中間相的形式存在，都會(huì)給合金帶來大量空位、位錯(cuò)等晶體缺陷，而析出相也會(huì)使合金產(chǎn)生晶格畸變，這些缺陷的存在使合金中自由電子散射的幾率增大，進(jìn)行有效熱量傳導(dǎo)的電子數(shù)量減少，導(dǎo)致合金的導(dǎo)熱性能降低。

為了兼顧鋁合金的力學(xué)與導(dǎo)熱性能，研究者們進(jìn)行了較為深入的研究。溫澄研究了22種合金元素對(duì)工業(yè)純鋁導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)不同元素的影響程度不一樣，過渡族元素如Mn、Cr等的加入會(huì)使純Al的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能快速下降，而Zn、Sr和稀土類變質(zhì)元素的影響較小。李林君發(fā)現(xiàn)不同鎂硅比對(duì)鋁合金6063導(dǎo)熱性能的影響不同，鎂硅比為1.5時(shí)，合金的導(dǎo)熱性能最好。Lumley等研究了合金成分和熱處理對(duì)Al-Si-Cu系鋁合金壓鑄件導(dǎo)熱性能的影響，研究表明，某些成分的合金導(dǎo)熱系數(shù)可通過使用熱處理增加60%以上。Kim等測(cè)試了不同熱處理狀態(tài)下Al-1Si和Al-9Si合金的熱擴(kuò)散率，研究了熱擴(kuò)散率與硅相固溶及析出之間的關(guān)系，得出固溶處理樣品中溶解的硅重新析出會(huì)增加合金熱擴(kuò)散率。Choi等研究了模具溫度對(duì)鋁合金熱、力學(xué)性能的影響，得出模具溫度越高，合金凝固速率越慢，此時(shí)硅顆粒越大，合金熱學(xué)性能越好；而在時(shí)效處理后，不同模具溫度下合金的機(jī)械強(qiáng)度變得相近。

本文以鋁合金ZL102實(shí)際壓鑄件某5G通訊濾波器殼體為研究對(duì)象，采用閃光法測(cè)試合金不同溫度下的熱導(dǎo)率，并通過熱處理改變合金的微觀組織，探究合金微觀組織變化對(duì)力學(xué)及導(dǎo)熱性能的影響，以期為生產(chǎn)實(shí)際中提高鋁合金壓鑄件的力學(xué)與導(dǎo)熱性能提供參考借鑒。

1、試驗(yàn)過程

1.1 試樣制備

采用某5G通訊濾波器殼體實(shí)際壓鑄產(chǎn)品作為試驗(yàn)件，如圖1a所示，壓鑄件重約5.4 kg，外形尺寸約為539 mm×410 mm×45 mm。該壓鑄件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，主體壁厚只有2 mm左右，而安裝支耳等位置處壁厚達(dá)到6 mm。試驗(yàn)中微觀組織表征、力學(xué)及導(dǎo)熱性能測(cè)試取樣位置如圖1b所示，該位置壁厚為壓鑄件主體壁厚，具有較好的代表性且方便取樣。采用X射線熒光光譜儀（XRF）測(cè)得鋁合金ZL102的化學(xué)成分如表1所示。采用線切割制備力學(xué)性能拉伸試樣，尺寸按照國(guó)標(biāo)GB/T228.1—2010確定，同時(shí)線切割Φ4 mm×1 mm規(guī)格的圓片樣，用于合金熱導(dǎo)率的測(cè)試。試樣熱處理分為三個(gè)對(duì)照組，一組為壓鑄態(tài)，不進(jìn)行熱處理；第二組進(jìn)行500 ℃×4 h固溶處理；第三組在第二組的基礎(chǔ)上進(jìn)行200 ℃×3 h時(shí)效處理。

1.2　試驗(yàn)方法

將金相試樣依次采用240 # 、600 # 、1 200 # 、1 500 # 、2 000 # 砂紙機(jī)械研磨后，使用金剛石拋光劑拋光，再使用95%H 2 O+2.5%HNO 3 +1.5%HCl+1%HF凱勒試劑腐蝕10~20 s，在Leica DM2700M 型號(hào)光學(xué)顯微鏡（OM）與JEOL 6301F型號(hào)掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察組織形貌。使用Instron 5967型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm/min，力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)為5根有效試樣的平均值。

根據(jù)熱傳導(dǎo)的物理規(guī)律，在進(jìn)行熱傳導(dǎo)時(shí)物體內(nèi)部的溫度場(chǎng)會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，這使得直接測(cè)量熱導(dǎo)率有一定困難。本文在測(cè)量合金的密度、比熱容以及熱擴(kuò)散系數(shù)的基礎(chǔ)上，采用式（1）計(jì)算出合金的熱導(dǎo)率
λ=αρC ρ （1）
式中：λ為被測(cè)樣品的熱導(dǎo)率，單位為W/（m·K）；α為被測(cè)樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)，單位為mm 2 /s；ρ為被測(cè)樣品的密度，單位為g/cm 3 ；C ρ 為被測(cè)樣品的比熱容，單位為J/（g·K）。采用LFA457激光熱導(dǎo)儀測(cè)量樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)，比熱容的測(cè)量使用TA-DSC2500差示掃描量熱法，采用阿基米德排水法測(cè)量樣品的密度。

2、鋁合金ZL102壓鑄組織

濾波器殼體由鋁合金ZL102壓鑄而成，由表1得出合金中硅含量為12.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），該成分接近鋁硅二元合金共晶成分（Al-Si二元平衡相圖中共晶成分點(diǎn)Si含量為12.6%），合金凝固時(shí)主要發(fā)生共晶反應(yīng)L→α（Al）+β（Si），形成大量的α（Al）+ Si共晶組織。然而，由于壓鑄工藝下合金冷卻速率高，凝固過程遠(yuǎn)離平衡態(tài)，因此鋁合金ZL102室溫下壓鑄組織中存在的物相包括初生α（Al）、鋁硅共晶組織、初晶硅以及少量的金屬間化合物。如圖2顯示了采用OM得到的壓鑄件表層及心部顯微組織，其中灰白色的基體為初生α（Al），在基體之間分布有大量灰黑相間的鋁硅共晶組織，以及針狀/板條狀的初晶硅。對(duì)比圖2a與圖2b，表層組織更加細(xì)小均勻，這是由于壓鑄件在成形時(shí)表層直接接觸模具型壁，合金冷卻速率高、過冷度大，使得表層組織中晶粒更加細(xì)小均勻。此外，壓鑄件心部組織中還發(fā)現(xiàn)了少量大塊的灰色多邊形組織，如圖2b所示，由于合金成分中含鐵量稍高，初步判斷其為某含鐵物相。采用X射線衍射（XRD）測(cè)試合金物相組成，掃描范圍為10°~90°，掃描速度為4°/min，將測(cè)試結(jié)果導(dǎo)入MDI Jade 6進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。由XRD檢測(cè)結(jié)果可知，合金中只存在α（Al）與Si相，并未檢測(cè)到含鐵金屬間化合物等，造成上述情況的原因可能是合金中金屬間化合物的含量較低，導(dǎo)致XRD并未檢測(cè)到。

表1 鋁合金ZL102化學(xué)成分 wB/%

圖2 鋁合金ZL102壓鑄顯微組織

圖3 壓鑄鋁合金ZL102的XRD圖譜

采用SEM進(jìn)一步對(duì)上述多邊形物相進(jìn)行分析，如圖4所示。基于能譜儀（EDS）結(jié)果（表2），推測(cè)其為一種復(fù)雜的AiSiFeMn四元金屬間化合物。結(jié)合部分文獻(xiàn)如袁、王等判斷該物相為α-Al 15 （Mn、Fe） 3 Si 2 ，該物相是在β-Al 5 FeSi 相基礎(chǔ)上加入Mn元素后進(jìn)一步演變而成。在β-Al 5 FeSi 相形成時(shí)，部分Mn原子奪去了Fe原子在β相中占據(jù)的位置，相當(dāng)于Mn原子部分替代Fe原子，從而形成了AlSiFeMn四元復(fù)合相。

圖4 多邊形物相的SEM圖像

表2 圖4中P點(diǎn)的EDS分析結(jié)果 %

3、熱處理對(duì)壓鑄組織的影響

圖5對(duì)比分析了熱處理前后的鋁合金ZL102壓鑄組織，可以看出，熱處理前后初生α（Al）變化不大，枝晶取向都沒有明顯規(guī)律，而硅相的形貌和分布則發(fā)生了明顯變化。壓鑄態(tài)組織中的硅相呈現(xiàn)針狀/板條狀分布，嚴(yán)重割裂了α（Al）基體；經(jīng)過固溶處理后，組織中的硅相發(fā)生了熔斷和球化，長(zhǎng)短徑比值下降，硅相球度提高；經(jīng)過時(shí)效處理后，原本固溶階段溶入α（Al）基體的硅元素析出，在α-Al基體上呈現(xiàn)出細(xì)密的點(diǎn)狀形態(tài)，而晶界的硅相更加圓整，球度進(jìn)一步提高。對(duì)于壓鑄組織中出現(xiàn)的多邊形AiSiFeMn四元金屬間化合物，在固溶與時(shí)效處理過程中，其形態(tài)并沒有發(fā)生明顯變化，推測(cè)原因在于本文固溶處理溫度并不足以使其溶入α（Al）基體中。由圖5還可以看出，壓鑄組織中分布有一定數(shù)量的氣孔，固溶處理后組織中的氣孔有增大的趨勢(shì)，而繼續(xù)時(shí)效處理氣孔并沒有進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖5 壓鑄態(tài)、固溶及時(shí)效組織的對(duì)比分析

4、熱處理對(duì)力學(xué)性能及導(dǎo)熱性能的影響

不同熱處理工藝下的壓鑄鋁合金ZL102力學(xué)性能如圖6所示，可以看到，在強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率方面，固溶處理后的試樣優(yōu)于壓鑄態(tài)及時(shí)效處理的試樣，其抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率分別為222.8 MPa與6.1%，相比壓鑄態(tài)抗拉強(qiáng)度提高了9.2%，伸長(zhǎng)率得到明顯改善，提高了205%，而時(shí)效態(tài)的試樣力學(xué)性能居中。分析原因，盡管已有研究認(rèn)為，由于氣孔的存在普通壓鑄件不適合進(jìn)行熱處理，且鋁合金ZL102為非熱處理強(qiáng)化合金，但固溶處理過程中硅相的熔斷和球化顯著改善了其對(duì)α（Al）基體的割裂作用，減少了合金承載時(shí)在周圍產(chǎn)生的應(yīng)力集中，有利于合金強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率的提高。進(jìn)一步時(shí)效處理，合金力學(xué)性能相比固溶態(tài)反而發(fā)生了一定的下降，其原因在于α（Al）晶界及固溶體中析出的硅相進(jìn)一步聚集長(zhǎng)大發(fā)生粗化現(xiàn)象，損害了合金的力學(xué)性能，且合金時(shí)效過程中并沒有析出時(shí)效強(qiáng)化相。

圖6 熱處理對(duì)壓鑄鋁合金ZL102力學(xué)性能的影響

圖7顯示了試驗(yàn)測(cè)得的不同溫度及熱處理工藝對(duì)壓鑄鋁合金ZL102導(dǎo)熱性能的影響。首先可以看到，壓鑄態(tài)、固溶及時(shí)效三種狀態(tài)下合金的熱導(dǎo)率均隨著溫度的升高而提高，由室溫至300 ℃呈現(xiàn)出先快速增長(zhǎng)后緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這種變化趨勢(shì)主要與合金的導(dǎo)熱機(jī)理有關(guān)，對(duì)于一般金屬而言，熱導(dǎo)率由電子熱導(dǎo)率與聲子熱導(dǎo)率組成，相應(yīng)的，熱阻也分為電子熱阻與聲子熱阻。電子熱阻是由電子被各種介質(zhì)散射所引起的，由電子-聲子散射和電子-缺陷散射組成。聲子熱阻也由兩種過程決定：一是由于晶格的非線性振動(dòng)引起的聲子之間的碰撞；二是聲子與固體中的缺陷發(fā)生的碰撞。在溫度較低時(shí)，晶格上的原子振動(dòng)幅度非常小，聲子對(duì)于熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)不大，以電子熱導(dǎo)率為主，此時(shí)合金的熱導(dǎo)率主要由電子和缺陷的相互作用所決定。而合金內(nèi)部缺陷的數(shù)量在低溫區(qū)基本不隨溫度的變化而變化，且電子的運(yùn)動(dòng)速率不管是在高溫還是低溫區(qū)基本保持不變，此時(shí)電子的平均自由程就可近似的認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，這時(shí)候合金的熱導(dǎo)率主要由比熱決定，而比熱與溫度呈一次方的關(guān)系，所以三種熱處理狀態(tài)下合金的熱導(dǎo)率在開始時(shí)，均隨著溫度的升高而快速增長(zhǎng)。隨著溫度的繼續(xù)升高，三種熱處理狀態(tài)下合金中原子的振動(dòng)慢慢加劇，這時(shí)候聲子對(duì)于電子的散射作用開始增強(qiáng)，電子被散射的幾率增加，電子的平均自由程開始下降，從而導(dǎo)致了合金熱導(dǎo)率隨溫度繼續(xù)升高而緩慢增長(zhǎng)。

圖7 溫度及熱處理工藝對(duì)壓鑄鋁合金ZL102導(dǎo)熱性能的影響

由圖7對(duì)比三種熱處理狀態(tài)下合金的熱導(dǎo)率，可以看到，不同溫度下均為壓鑄態(tài)合金的熱導(dǎo)率最高，也即本文中的固溶及時(shí)效處理工藝并不能提高壓鑄鋁合金ZL102的導(dǎo)熱性能，反而使得合金的熱導(dǎo)率下降。分析原因，固溶處理后的試樣中存在大量的固溶原子引起晶格畸變，導(dǎo)致合金內(nèi)晶體缺陷增多，電子被散射的幾率增加，電子的平均自由程下降，合金的熱導(dǎo)率大幅降低。經(jīng)過時(shí)效處理后，合金的熱導(dǎo)率相比固溶時(shí)有所恢復(fù)，這是因?yàn)闀r(shí)效處理時(shí)會(huì)析出第二相，使得合金的固溶度減小，晶格畸變程度降低。然而可以看到，時(shí)效態(tài)的合金熱導(dǎo)率仍然低于壓鑄態(tài)，這是由于時(shí)效處理時(shí)析出的第二相會(huì)導(dǎo)致合金的相界面增加，進(jìn)而也會(huì)增加電子被散射的幾率，使得合金的熱導(dǎo)率降低。總體而言，合金元素對(duì)鋁合金ZL102導(dǎo)熱性能的負(fù)面影響中，固溶形式大于析出相的形式。除了合金元素的固溶及析出外，熱處理過程中壓鑄鋁合金ZL102組織中晶粒及氣孔的長(zhǎng)大也會(huì)對(duì)合金的導(dǎo)熱性能造成一定的影響。相關(guān)研究表明，晶粒長(zhǎng)大減少了合金的晶界面，可以一定程度上提高合金的熱導(dǎo)率，而孔洞的存在顯然會(huì)削弱合金的導(dǎo)熱性能。

5、結(jié)論

（1）鋁合金ZL102室溫下壓鑄組織中的物相包括初生α（Al）、鋁硅共晶組織、初晶硅以及少量的金屬間化合物，其中的多邊形物相為AlSiFeMn四元復(fù)合相。

（2）固溶處理后，鋁合金ZL102壓鑄組織中的硅相發(fā)生了熔斷和球化；經(jīng)過時(shí)效處理，α（Al）基體上出現(xiàn)細(xì)密的點(diǎn)狀第二相析出，晶界的硅相球度進(jìn)一步提高。

（3）在三種熱處理狀態(tài)下，鋁合金ZL102固溶處理后的力學(xué)性能最高，抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率分別為222.8 MPa與6.1%，相比壓鑄態(tài)分別提高9.2%和205%，然而此時(shí)合金的熱導(dǎo)率最低，室溫下的熱導(dǎo)率由壓鑄態(tài)時(shí)的155.8 W/（m·K）降至127.8 W/（m·K）。綜合而言，時(shí)效處理兼顧了合金的力學(xué)與導(dǎo)熱性能，此時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度212 MPa，伸長(zhǎng)率3.9%，室溫?zé)釋?dǎo)率142.7 W/（m·K）。

作者：

林楓 吳孟武
武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

陸文興
廣東鴻特精密技術(shù)肇慶有限公司

本文來自:《鑄造》雜志2022年第6期第71卷